基于DSP的自确认压力传感器硬件系统设计

论文摘要

传感器是获取信息的源头,在工业生产中起着举足轻重的作用。传感器一旦发生故障,往往会给工业生产造成重大损失。传统的传感器只能输出测量值,而不能确认自身是否正常工作。为了避免传感器发生故障而影响生产,一般采取定期离线校准的方法,但是耗时费力。在这种情况下,“自确认传感器”的概念被提出来。它不仅能给出测量值及其不确定度,而且能对自身的状态进行在线评估,确认传感器是否发生故障;如果发生故障,还能诊断出故障类型。我们可以根据传感器自身的状态决定是否需要校准或更换传感器,从而减少了校准的次数,也降低了传感器发生坏死性故障的风险。本文以自确认传感器相关理论为基础,设计了基于双DSP(TMS320F2812和TMS320C6713)的自确认压力传感器通用硬件平台,用于测量气体压力。论文首先介绍了自确认传感器的概念、研究现状,并描述了自确认压力传感器用到的相关算法原理。接着,详细说明了系统各部分硬件的设计思想和设计方法,主要包括信号调理电路和信号采集处理电路等部分的设计。然后,说明了TMS320F2812部分的软件设计,包括控制ADC采样、对采样数据进行预处理、控制TMS320C6713实现自确认算法、与上位机进行通信等部分。最后,进行系统实验,主要包括传感器标定实验和故障诊断实验,检验系统软硬件性能,并根据实验结果对系统做进一步的改进。最后实验结果表明,该系统能够达到预期设计目标,为进一步的实用产品化打下了基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 自确认传感器的概况
• 1.2.1 自确认传感器的概念
• 1.2.2 自确认传感器的研究现状
• 1.3 自确认压力传感器算法原理
• 1.3.1 一致性检验算法
• 1.3.2 基于小波包特征提取和支持向量多分类机的故障诊断算法
• 1.4 课题的来源、研究内容和目标
• 1.5 本章小结
• 第2章 系统硬件设计
• 2.1 总体方案
• 2.2 压力传感器探头结构
• 2.3 信号调理电路
• 2.3.1 滤波电路
• 2.3.2 ADC 输入缓冲电路
• 2.4 信号采集处理电路
• 2.4.1 ADC 采样电路
• 2.4.2 双DSP 数字信号处理单元
• 2.4.3 与上位机的通信接口
• 2.5 故障诊断电路
• 2.6 电源设计方案
• 2.7 本章小结
• 第3章 系统软件设计
• 3.1 软件总体结构设计
• 3.2 误差补偿
• 3.2.1 零点漂移误差
• 3.2.2 非线性误差
• 3.3 数据通信协议
• 3.3.1 浮点数的传输协议
• 3.3.2 数据格式协议
• 3.4 程序性能的提高
• 3.4.1 关键代码搬运
• 3.4.2 PIE（外部中断扩展模块）的使用
• 3.5 本章小结
• 第4章 系统实验
• 4.1 信号调理电路测试
• 4.2 传感器标定实验
• 4.3 传感器故障诊断实验
• 4.4 问题及解决方案
• 4.4.1 噪声
• 4.4.2 与上位机通信速度
• 4.4.3 电源功率问题
• 4.4.4 最小二乘法拟合时舍去零点的数据
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 致谢